-*новый или неперечисленный*-

Алмазоподобные полупроводники


Саратовский государственный технический университет

                     Кафедра Электронного машиностроения


                               КУРСОВАЯ РАБОТА



                                  На тему:



                       АЛМАЗОПОДОБНЫЕ ПОЛУПРОВОДНИКИ.



                  Получение, свойства, области применения.



                                                                  Выполнил :

                                                        студент II курса гр.


                                                                      ЭПУ-21

                                                             Горев Александр

                                                                   Проверил:

                                                          Доцент Котина Н.М.



                              Саратов. 2003 г.



                                   РЕФЕРАТ

                               Ключевые слова:

Полупроводник, неорганический полупроводник, органический полупроводник,
кристаллический полупроводник, аморфный полупроводник, магнитный и
немагнитный полупроводники, твердый раствор, алмазоподобный полупроводник,
кристаллическая структура , донорно-акцепторная связь, электронно-дырочный
переход, инжекционная электролюминесценция, инжекционный лазер.



                                ЦЕЛЬ РАБОТЫ:

Изучить получение, физические и  химические  свойства,  области  применения,
строение  и  классификацию  полупроводниковых  материалов  и  алмазоподобных
полупроводников.



                                 СОДЕРЖАНИЕ


1. Реферат
2. Цель работы
3. Содержание
4. Введение
5. Основная часть
      а)Классификация полупроводниковых материалов
      б)Полупроводниковые соединения типа АIII В V
      в)Физико-химические и электрические свойства
      г)Применение полупроводниковых соединений типа АIII ВV
      д)Строение и химическая связь  полупроводниковых соединений типа АII
ВVI
      е)Применение  полупроводниковых соединений типа АII  ВVI
      ж)Твердые растворы на основе соединений АIII ВV
6. Заключение
7. Список использованной литературы



                                  Введение.


      Изобретение радио великим русским учёным А.С.  Поповым  открыло  новую
эру в развитии науки и техники. Чтобы обеспечить развитие  радиоэлектроники,
потребовалось  огромное  количество  радиодеталей  и   радиокомпонентов.   В
послевоенное  десятилетие  резисторы,  конденсаторы,  индуктивные   катушки,
электронные  лампы  и  полупроводниковые  приборы  стали   изготовляться   в
миллионных и миллиардных  количествах.  Собираемая  из  разнородных  деталей
электронная аппаратура во многих  случаях  была  громоздкой,  тяжелой  и  не
достаточно  надёжной.  Так,  средний  телевизор  содержал   порядка   тысячи
радиодеталей и электронных приборов, занимая объем около 20 литров.
      В настоящее время, с использованием современных  методов  обработки  и
получения  материалов,  удаётся  на  подложке  в  1   квадратный   сантиметр
разместить до 600 000 функциональных элементов, но и  это  теоретически  ещё
не предел.



                 Классификация полупроводниковых материалов.

      Полупроводники  представляют   собой   весьма   многочисленный   класс
материалов.  В  него  входят  сотни  самых  разнообразных  веществ   –   как
элементов, так и химических соединений. Полупроводниковыми свойствами  могут
обладать как неорганические, так и органические вещества, кристаллические  и
аморфные,  твердые  и  жидкие,  немагнитные   и   магнитные.   Несмотря   на
существенные различия в  строении  и  химическом  составе,  материалы  этого
класса роднит одно замечательное качество- способность сильно изменять  свои
электрические  свойства  под  влиянием  небольших   внешних   энергетических
воздействий.  Одна  из  возможных  схем    классификации   полупроводниковых
материалов приведена на рис.1
                 [pic]Рис. 1 Классификация полупроводниковых
                     материалов по составу и свойствам.

Полупроводниковыми свойствами  обладают  и  некоторые  модификации  олова  и
углерода.
Последний существуют двух аллотропных формах – алмаз  и  графит.  Графит  по
электрическим свойствам близок к проводникам (?Э <0,1 эВ), а  чистые  алмазы
являются  диэлектриками.  Однако  искусственные  алмазы  за  счет   вводимых
примесей приобретают свойства полупроводников.
      Весьма обширна  группа  полупроводниковых  неорганических  соединений,
которые могут состоять из двух, трех и большего числа элементов. В  качестве
примеров таких соединений можно привести  InSb, Bi 2 Te3 , ZnSiAs2 ,  CuAlS2
 , CuGe2P3 . Кристаллическая  структура  многих  соединений  характеризуется
тетраэдрической координацией атомов, как это имеет место в  решетки  алмаза.
Такие  полупроводниковые   соединения   получили   название   алмазоподобных
полупроводников.  Среди  них  наибольший  научный  и  практический   интерес
представляют бинарные соединения типа AIII  ВV   и  AII  BVI   ,  которые  в
настоящее   время   являются   важнейшими   материалами    полупроводниковой
оптоэлектроники.
      Большинство алмазоподобных полупроводников с  родственными  свойствами
образуют между собой изовалентные  твердые  растворы.  В  твердых  растворах
путем изменения  состава  можно  плавно  и  в  достаточно  широких  пределах
управлять  важнейшими  свойствами  полупроводников,  в  частности,   шириной
запрещенной  зоны   и   подвижностью   носителей   заряда.   Это   открывает
дополнительные  возможности  для  оптимизации  параметров  полупроводниковых
приборов, позволяет добиться лучшего согласования  физических  характеристик
различных компонентов электронной аппаратуры.
        Для   изготовления   полупроводниковых   приборов   используют   как
монокристаллы,   так   и   поликристаллические   материалы.    Монокристаллы
представляют собой более простые системы,  с  более  совершенным  строением,
чем поликристаллические материалы. Они наиболее глубоко изучены,  физические
явления  в  них  лучше  поддаются  расчетам,  и  они  обеспечивают   большую
надежность и идентичность параметров полупроводниковых приборов.
        В   механизме   электропроводности   аморфных    неорганических    и
кристаллических  органических  полупроводников  выявлен  ряд   особенностей.
Интерес к органическим полупроводникам вызван тем, что в  некоторых  из  них
полупроводниковые свойства сочетаются  с  эластичностью,  которая  позволяет
изготавливать рабочие элементы в виде гибких лент и волокон.

Полупроводниковые соединения типа АIII В V .

      Кристаллическая структура и химическая связь.  Соединения   А  III  ВV
являются ближайшими электронными аналогами кремния и германия. Они  образуют
в результате взаимодействия элементов III-б подгруппы Периодической  таблицы
(бора,  алюминия,  галлия,  индия)  с  элементами  V-б  подгруппы   (азотом,
фосфором, мышьяком и  сурьмой).  Висмут  и  таллий  не  образуют  соединений
рассматриваемого ряда.  Соединения  АIII  ВV   принято  классифицировать  по
металлоидному  элементу.   Соответственно,   различают   нитриды,   фосфиды,
арсениды и антимониды.
      За исключением нитридов  все  соединения  АIII  ВV  кристаллизуются  в
решетке  цинковой  обманки  кубического  типа   (сфалерит).   Для   нитридов
характерна  структура  гексогонального  типа  (вюрцит).  В  решетке  того  и
другого типов каждый атом элемента III группы находится   в  тетраэдрическом
окружении четырех атомов элемента V группы и наоборот.  Структура  сфалерита
в отличие от структуры алмаза не имеет  центра  симметрии.  Эта  особенность
приводит  к  различию  в  свойствах  поверхностей  (111)  и  (111),  целиком
сложенных из разноименных атомов.  Различное  поведение  граней  проявляется
при травлении, окислении и при выращивании кристаллов.
      Для соединений А В характерен особый тип химической связи,  называемый
донорно- -акцепторной. Из четырех ковалентных связей, которыми  каждый  атом
встраивается в решетку, три образуются обобществлением валентных  электронов
атомов АIII и  ВV , а  четвертая  связь  осуществляется  неподеленной  парой
валентных  электронов  атомов  ВV  Образование  этой   связи   соответствует
энергетически выгодному переходу электронов от  атома  ВV  в  энергетическое
состояние, общее для донора (атомов ВV) и акцептора (атома АIII).
В каждой ковалентной связи максимум электронной плотности смещен  в  сторону
атома с  более  высокой  электроотрицательностью,т.  е.  электронные  облака
стянуты  к  узлам  решетки,  где  находятся  атомы  ВV  .  Благодаря   такой
поляризации   связей   атомы   АIII    приобретают   некоторый   эффективный
положительный заряд, а атомы ВV –отрицательный. Величина этого  эффективного
заряда (± g) определяет степень  ионности  соединения,  которая  закономерно
изменяется при переходе от одного соединения  к  другому  в  соответствии  с
положением химических элементов в Периодической таблице Д. И. Менделеева.
       Физико-химические   и   электрические   свойства.   Полупроводниковые
соединения АIII  ВV  образуют  гомологический  ряд,  в  котором  наблюдается
закономерное  изменение  многих  свойств  при  изменении   атомных   номеров
компонентов. Эти закономерности можно проследить с помощью табл.1

|ZnS       |С    |5,41  |4,09 |1020** |3,67   |п     |_       |_     |
|ZnS       |В    |3,82(а|4,10 |1780   |3,74   |п     |0,014   |0,0005|
|          |     |)     |     |       |       |      |        |      |
|CdS       |В    |6,26(с|4,82 |1750   |2,53   |п     |_ с     |      |
|          |     |)     |     |       |       |      |0,034   |0,011 |
|HgS       |С    |4,13(а|7,73 |1480   |1,78   |п     |c 0,035 |0,0015|
|          |     |)     |     |       |       |      |0,07    |      |
|          |     |6,75(с|     |       |       |      |        |_     |
|          |     |)     |     |       |       |      |        |      |
|          |     |5,84  |     |       |       |      |        |      |
|ZnSe      |С    |5,66  |5,43 |1520   |2,73   |п     |0,026   |0,0015|
|CdSe      |В    |4,30(а|5,81 |1264   |1,85   |п     |с 0,072 |      |
|          |     |)     |     |       |       |      |        |0,0075|
|HgSe      |С    |7,01(с|8,25 |790    |0,12   |п     |2,0     |      |
|          |     |)     |     |       |       |      |        |      |
|          |     |6,08  |     |       |       |      |        |_     |
|ZnTe      |С    |6,10  |6,34 |1239   |2,23   |р     |0,053   |0,003 |
|CdTe      |С    |6,48  |5,86 |1041   |1,51   |п, р  |0,12    |0,006 |
|HgTe      |С    |6,46  |8,09 |670    |0,08   |п, р  |2,5     |0,02  |


      * C--сфалерит, В-вюрцит;   **-- температура фазового перехода из (  на
(- модификацию



Как  видно  из  табл.1,  с  ростом  средней  атомной  массы  во  всех   трех
гомологичных  рядах  закономерно  уменьшаются  ширина  запрещенной  зоны   и
температура  плавления  соединений.  Одновременно   возрастает   подвижность
носителей  заряда.  Из-за   увеличения   межатомных   расстояний   прочность
химических связей падает при переходе от сульфидов к селенидам и далее  -  к
теллуридам.  Теллурид  ртути  при  всех  температурах   проявляет   свойства
полуметаллов.

Большая  доля  ионной  связи  в  соединениях  АII   ВVI    по  сравнению   с
полупроводниками

  АIII   ВV   приводит  к  большим  значениям  ширины  запрещенной  зоны   и
заниженным подвижностям носителей заряда в  рядах  изоэлектронных  аналогов.
Изоэлектронными   аналогами   называют    вещества,    имеющие    одинаковую
кристаллическую структуру и одинаковый суммарный  заряд  ядра  двух  атомов-
партнеров. Например, изоэлектронными аналогами являются  Ge, GaAs,  ZnSe,  а
также  Sn,  InSb,  CdTe.

      Поведение примесей  в соединениях типа АII ВVI  в основном подчиняется
тем же закономерностям, что и в  полупроводниках  типа  АIII  ВV   ,  т.  е.
примеси  замещения,  имеющие  валентность  меньшую  валентности  вытесняемых
атомов, играют роль акцепторов,  а  примеси  с  более  высокой  валентностью
являются донорами.  Состояние  примесей  атомов  более  устойчиво,  если  их
вхождение  в  решетку  не  сопровождается  образованием  больших   локальных
зарядов.  Например,  примесные  атомы  элементов   I  группы   (Cu,  Ag,  Au
),замещая Zn или Сd  в  кристаллической  решетки  полупроводника,  проявляют
акцепторные  свойства.  При  этом,  как  правило,  они   образуют   глубокие
энергетические уровни. Атомы элементов III  группы  (Аl,  Ga,  In  ),  также
замещающие катионы, ведут себя  как доноры  с  малыми  энергиями  ионизации.
Соответственно акцепторные и донорные свойства проявляют элементы  V  и  VII
групп  Периодической  таблицы,  замещающие  в  решетке   АII    ВVI    атомы
халькогенов.


      Особенности свойств. При повышенных температурах все  соединения   АII
ВVI          разлагаются        в       соответствии       с        реакцией


                                          2АII  ВVII      (   2АII(газ)    (
В2VII(газ)

Присутствие в паровой фазе молекул  А В хотя полностью и не исключается, но
для большинства соединений  их  концентрация  мала  и  можно  принять,  что
диссоциация является полной. Равновесное давление паров летучих компонентов
сильно зависит от температуры.
      Важная особенность полупроводников типа АII ВVI  состоит  в  том,  что
многие из них проявляют электропроводность лишь одного типа  независимо  от
условий получения и  характера  легирования  кристаллов.  Так,  сульфиды  и
селениды цинка, кадмия и ртути всегда являются полупроводниками  п-типа.  В
отличие от них теллурид цинка обладает только дырочной электропроводностью.
И лишь Cd Te и Hg Te могут иметь электропроводность как
п-, так и р-типа, в зависимости от условий изготовления и  типа  легирующих
примесей.   Отсутствие   инверсии   типа   электропроводности   существенно
ограничивает возможности практического использования  полупроводников  типа
АII  ВVI  .
      Проводимость соединений типа АII  ВVI   может  быть  значительно  (на
несколько порядков)  изменена  путем  термообработки  в  парах  собственных
компонентов.  Например,   удельная   проводимость   сульфида   кадмия   при
термообработке в парах серы может измениться на 10 порядков (рис.2).

                                    [pic]


         Рис. 2 Изменение удельной проводимости поликристаллического
   сульфида кадмия в зависимости от давления пара серы при термообработке.


Столь  сильное  изменение  электрических  свойств  обусловлено  нарушениями
стехиометрического состава соединения. Поскольку  полупроводники  типа  АII
ВVI  характеризуются значительной долей ионной  связи,  нестехиометрические
дефекты ведут себя как электрически активные центры, в частности,  вакансии
в металлоидной подрешетки играют роль  доноров,  а  вакансии  в  подрешетке
металла ведут себя подобно акцепторам.
      При термообработке  преимущественно  возникают  те  дефекты,  энергия
образования которых меньше. В  сульфидах  и  селенидах  доминирующим  типом
дефектов являются вакансии в анионной подрешетке. Чтобы понять  их  роль  в
сульфиде кадмия, припишем (для простоты анализа) атомам компонентов  полный
ионный заряд (рис.3).


                                     S0


                      Cd+2         S -2    Cd +2   S -2

                       S -2       Cd +2   (      Cd +2

                     Cd +2         S -2    Cd +2   S -2

                      S –2    Cd +2     S -2      Cd +2


                     Рис.3 Разупорядочность в кристаллах
                          CdS при недостатке серы.


 Вакансии в анионных узлах  образуются при недостатке серы. Последняя может
покидать кристалл лишь в виде нейтральных атомов S0 , оставляя на вакансиях
избыточные электроны. Каждая вакансия создает энергетический уровень вблизи
зоны  проводимости,  заполненный  электронами   при   низкой   температуре.
Достаточно небольшого  воздействия  чтобы  оторвать  электроны  от  дефекта
структуры, т. е. перевести их в зону проводимости.
      В кристаллах Zn Te преимущественно образуются  вакансии  в  подрешетке
катионообразователя. Ионы  цинка,  покидая  кристалл,  отбирают  недостающие
электроны у ближайших ионов  теллура,  благодаря  чему  появляется  дырочная
электропроводимость.
      В отличие от CdS и ZnTe  теллурид  кадмия  может  быть  электронным  и
дырочным полупроводником. Например, термообработка при температуре 9000 С  в
парах  кадмия  под  давлением  больше  7·104   Па   приводит   к   появлению
электронной  электропроводности.  Если  же   давление   паров   кадмия   при
термообработке меньше указанного значения,  то  получается  материал  р-типа
(рис.4).



                                    [pic]


                  Рис.4 Зависимость концентрации носителей
  заряда в теллуриде кадмия при термообработке (температура отжига 900 0 С)

  Таким  образом,  химическая  чистота  является  хотя  и  необходимым,   но
недостаточным условием для получения кристаллов соединений типа АII  ВVI   с
заданными свойствами. Требуется обязательно управлять  степенью  дефектности
кристал -лической решетки, т.  е.  концентрацией  вакансий.  Самокомпенсация
сульфидов и селенидов собственными  дефектами  структуры  является  основной
причиной,  препятствующей   обращению   типа   электропроводности   при   их
легировании.  К  этому  следует  добавить,  что  акцепторы  обладают   малой
растворимостью в полупроводниках А  В  и,  как  правило,  образуют  глубокие
уровни.
      Применение. Из всех соединений типа  А   В   по  масштабам  применения
выделяются сульфид цинка ZnS и сульфид кадмия CdS. Первый  является  основой
для многих  промышленных  люминофоров,  а  второй  широко  используется  для
изготовления фоторезистров, обладающих высокой чувствительностью  в  видимой
части  спектра.  Именно  на  сульфиде  цинка  Г.  Дестрио  впервые  наблюдал
свечение в переменном электрическом поле.  До  сих  пор  люминофоры  из  ZnS
превосходят  другие  материалы   по   внутреннему   квантовому   выходу.   В
зависимости от условий синтеза  ZnS  кристаллизуется  в  двух  модификациях-
высокотемпературной гексагональной и низкотемпературной кубической.
Точка  фазового  перехода   лежит   вблизи   10200С.   Предпочтение   отдают
люминофорам с  кубической  структурой  ввиду  повышенной  яркости  свечения.
Однако практически почти  всегда  в  сульфидных  люминофорах  имеется  смесь
обеих модификаций. Важной особенностью сульфида цинка является  то,  что  он
образует непрерывный ряд твердых растворов  с  CdS,  CdSe,  ZnSe.  При  этом
добавка  СdS  стабилизирует  гексагональную  модификацию,  а  добавка  ZnSe-
кубическую.
      Спектр излучения люминофоров определяется типом  вводимых  активаторов
люминесценции.     Наиболее      широкое      распространенное      получили
электролюминофоры,  активированные  медью,  которые  излучают  в  зеленой  и
голубой областях спектра. Чтобы повысить растворимость  акцепторной  примеси
меди  в  состав   люминофора   вводят   эквивалентное   количество   доноров
(галогенов),  которые  выступают  в  качестве  соактиваторов  люминесценции.
Растворение примесных  ионов  в  решетке  основы  можно  описать  химическим
уравнением вида

          (1 – 3х) Zns + х ZnCl2 + х Cu2S  ( Zn1-2хCu2х S1-2х Cl 2х

Эффективные люминофоры с излучением в желтой области  спектра  получают  при
активизации сульфида цинка марганцем.
      Недостатком электролюминесцентных устройств на основе  сульфида  цинка
является относительно высокая скорость  деградации  приборов  (ухудшение  их
свойств),  обусловленная  усилением  ионного  характера  химической   связи,
стимулирующим процессы электролиза.
      Примеси могут играть  существенную  роль  и  в  механизме  собственной
фотопроводимости  полупроводников  АIIВVI,  поскольку  от   их   природы   и
концентрации зависит время жизни неравновесных носителей заряда,  а  оно,  в
свою очередь, определяет фоточувствительность  и  скорость  фотоответа.  При
этом важен не столько донорный или  акцепторный характер  примесных  атомов,
сколько принадлежность их  к  центрам  рекомбинации  или  ловушкам  захвата.
Введением  специальных  примесей,  так  называемых  центров  сенсибилизации,
можно существенно повысить чувствительность собственных фоторезисторов.
      В сульфиде кадмия очувствляющими центрами  являются  скомпенсированные
(т.е.  ионизированные)  акцепторы,  в  качестве  которых   могут   выступать
вакансии  кадмия.  Концентрация   последних   возрастает   при   легировании
донорами. Соответственно возрастает и собственная фотопроводимость.  Высокой
фоточувствительностью обладают также образцы сульфида кадмия,  легированного
медью. При сильном  легировании  медью  доминирующую  роль  начинает  играть
примесная фотопроводимость, что находит отражение  в  смещение  спектральной
характеристики. (рис.5).
        Помимо   сульфида   кадмия    для    изготовления    фоторезисторов,
чувствительных  к  видимому  излучению,  используют   пленки   и   спеченные
порошкообразные соли СdSe.
       Узкозонные  полупроводники  типа   АIIВVIпредставляют   интерес   для
создания  приемников  далекого  ИК-излучения.  Особое  внимание   привлекают
твердые растворы
CdхHg  Te, спектр фоточувствительности которых перекрывает  атмосферное«окно
прозрачности» в области 8-14 мкм.
      Пленки из селенида и теллурида ртути,  благодаря  высокой  подвижности
электронов, применяют для изготовления высокочувствительных датчиков  Холла.
Высокая эффективность  излучательной  рекомбинации  в  полупроводниках  типа
АIIВVI позволяет  использовать  монокристаллы  этих  соединений  в  качестве
рабочего тела полупроводниковых лазеров, возбуждаемых электронным пучком.
        Синтез   и   выращивание    кристаллов.    Технология    выращивания
монокристаллов  полупроводниковых  соединений  АIIВVI   разработана  гораздо
менее полно, чем технология полупроводников типа  АIII  ВV   .  Широкозонные
полупроводники АII  ВVI   представляют  собой  в  технологическом  отношении
трудные  объекты,  так  как  обладают  высокими  температурами  плавления  и
высокими  давлениями  диссоциации  в  точке   плавления.   Синтез   исходных
соединений  А   В   ,  частности  порошка  для   люминофоров,   чаще   всего
осуществляется  по  реакциям  обменного  разложения,  протекающим  в  водной
среде.


  Так,  сульфид  цинка  осаждают  из   водного   раствора   сульфата   ZnSO4
пропусканием через него сероводорода H2S.
Для производства продуктов с малым  содержанием  окислов  синтез  проводится
путем  взаимодействия  соответствующих   металлов   II   группы    серо-   и
селеноводородом.  Выращивание  монокристаллов  тугоплавких  соединений  типа
АIIВVI   в   большинстве    случаев    осуществляется    перекристаллизацией
предварительно синтезированного соединения через паровую  фазу  в  запаянных
кварцевых ампулах.

         Твердые растворы на основе соединений АIII ВV  .  Твердые  растворы
существенно  расширить  по  сравнению  с  элементарными  полупроводниками  и
полупроводниковыми   соединениями   набор   электрофизических    параметров,
определяющих    возможности    применения    материалов     в     конкретных
полупроводниковых приборах.
      Среди алмазоподобных полупроводников, в том числе соединений типа А  В
,  распространены  твердые  растворы   замещения.   Необходимыми   условиями
образования   твердых   растворов   являются   кристаллохимическое   подобие
кристаллических  решеток  соединений-компонентов  и  близость  их   периодов
идентичности. Наиболее хорошо изучены тройные твердые  растворы,  в  которых
замещение происходит лишь по узлам одной из подрешеток бинарного  соединения
(металлической или металлоидной). Состав  таких  твердых  растворов  принято
характеризовать символами АхВ1-хС и АСуD1-у, где А и В  обозначают  элементы
III группы, а С  и  D-  элементы  V  группы.  В  формуле  АхВ1-хС  индекс  х
определяет мольную долю соединения  АВ  в  твердом  растворе.  Если  твердые
растворы существуют во всем диапазоне концентраций, то  х  может  изменяться
от  0  до  1.  В  тройных  твердых  растворах  имеет   место   статистически
неупорядоченное  распределение  атомов  замещаемых  компонентов   по   узлам
соответствующей  подрешетки.  С   изменением   состава   твердого   раствора
наблюдается  линейное  изменение  периода   кристаллической   решетки.   Эта
закономерность известна в кристаллохимии как закон  Вегарда.  Она  позволяет
определять состав твердого раствора по изменениям периода решетки с  помощью
дифракции рентгеновских лучей.
      Как в бинарных соединениях АIIIВV, в твердых растворах не  наблюдается
существенных отклонений от стехиометрии, поэтому  они  просты  по  механизму
легирования. Теми же методами, что и в бинарных  соединениях,  в  них  могут
быть  получены   электронно-дырочные   переходы.   Температурные   изменения
электрических   параметров   также   принципиально    не    отличаются    от
соответствующих зависимостей для соединений-партнеров.
      Особый интерес к твердым растворам  обусловлен  возможностью  плавного
управления шириной  запрещенной  зоны  полупроводников  путем  изменения  их
компонентного состава. Возможные  варианты  этих  зависимостей  показаны  на
рис.5
                                    [pic]


                               а)
                                    б)
  Рис.5 Зависимость ширины запрещенной зоны от состава твердых растворов на
                      основе соединений АIIIВV (Т=300К)
          а-соединения-партнеры имеют одинаковую зонную структуру;
        б-соединения-партнеры имеют различную зонную структуру.

Как видно из рисунка, зависимость  ширины  запрещенной  зоны  от  состава  в
некоторых системах твердых  растворов  (Gaу  In1-х  As;  InPу  As1-у)  очень
близка к линейной, но  может  и  существенно  отличаться  от  нее,  проявляя
экстремум  или  излом  при  определенном  соотношении  между   компонентами.
Конкретный  характер  зависимости  во  многом  определяется   типом   зонной
структуры соединений-партнеров, т. е. положением
 их энергетических долин в
пространстве квазиимпульсов (k-пространстве).
 В частности, излом зависимости ?Э(х)
наблюдается в тех системах твердых
растворах, в которых исходные
бинарные соединения имеют зонные
структуры различных типов, т. е.
различное расположение главных
энергетических минимумов зоны проводимости
 в k-пространстве.
      Подвижность носителей заряда
 в полупроводниковых твердых растворах
 в основном ограничивается теми же факторами,
что и в бинарных соединениях. Подтверждение
этому могут служить зависимости, показанные
на рис.6.



                           Рис.6 Зависимость под-

                 вижности  электронов в твер-

                 дых растворах GaхIn1-хSb и

                 InPуAs1-у от состава (Т=300К)



Отсутствие экстремума в ходе кривых указывает на то, что в  общем  механизме
рассеяния носителей заряда доля рассеяния на статистических  неоднородностях
структуры материала относительно мала. В  противном  случае  должен  был  бы
наблюдаться минимум подвижности носителей для твердых растворов с  составом,
близким к х=0,5. Отмеченная  закономерность  в  поведении  носителей  заряда
отличает полупроводниковые твердые  растворы  от  металлических  сплавов,  в
которых рассеяние электронов  на  статистических  неоднородностях  структуру
играет весьма существенную роль.
      Вместе с тем, как и в металлических сплавах,  эффекты  статистического
разупорядочения в  кристаллической  решетке  оказывают  сильное  влияние  на
удельную  теплопроводность  полупроводников,  которая  у  твердых  растворах
оказывается заметно ниже, чем у бинарных  соединений.  Например,  у  твердых
растворов GaAs0,5P0,5  и  Al0,5Ga0,5As  значение  удельной  теплопроводности
примерно на порядок меньше, чем у чистых кристаллов GaAs.
      Изменение ширины запрещенной зоны у твердых  растворов  сопровождается
соответствующим смещением спектров  оптического  поглощения  и  пропускания,
люминесценции  и  фоточувствительности.  С   изменением   состава   твердого
раствора изменяются  значения  диэлектрической  проницаемости  и  показателя
преломления, происходит смещение примесных энергетических  уровней.  В  ряде
систем  при  определенном  соотношении  между  компонентами  можно  получить
качественное новое сочетание свойств. Так, в твердых растворах  GaAs1-уPу  и
AlхGa1-хAs (с х и  у  порядка  0,3  ч  0,4)  сочетаются  достаточно  широкая
запрещенная  зона  (  ?Э>1,7эВ)  с  высоким  квантовыми  выходом   межзонной
излучательной  рекомбинации.  Такие  материалы   используют   для   создания
эффективных    электролюминесцентных    источников    красного     излучения
(светодиодов и лазеров). Твердые растворы
GaхIn1-хP c х=0,5-0,7 обладают эффективной  люминесценцией  в  желто-зеленой
области спектра.
      Получение однородных твердых растворов заданного состава  представляет
собой   весьма   трудную   технологическую   задачу.    Обычными    методами
кристаллизации из расплава  в  лучшем  случае  удается  получать  однородные
поликристаллические  слитки.  Монокристаллические  слои  твердых  растворов,
используемых  в  приборных  структурах,  осаждают   исключительно   методами
эпитаксии. Эпитаксию твердых растворов GaAs1-уPу осуществляют  на  подложках
GaAs или GaP с помощью химических реакций, протекающих в газовой фазе. В  то
же время наиболее совершенные эпитаксиальные слои AlхGa1-хAs, AlхGa1-хSb,
  GaхIn1-хAs,  GaхIn1-хP   получают   методом   жидкофазовой   эпитаксии   с
использованием галлия или индия в качестве растворителя.
        Твердые   растворы   открывают    широкие    возможности    создания
гетеропереходов и  приборов  на  их  основе.  Под  гетеропереходом  понимают
контакт двух полупроводников  с  различной  шириной  запрещенной  зоны.  Для
получения  гетеропереходов  со  свойствами  идеального  контакта  необходимо
выполнить   ряд   условий   совместимости   материалов   по    механическим,
кристаллохимическим и термическим свойствам. Решающим критерием  при  выборе
материалов   контактной   пары    является    соответствие    периодов    их
кристаллических решеток и температурных коэффициентов линейного  расширения.
Если  компоненты  гетерпары  обладают  взаимной   растворимостью   во   всем
интервале  концентраций,  то  появляется  уникальная  возможность  создавать
гетеропереходы между химическим соединением АС и твердым раствором
АхВ1-хС  на  его  основе.  Это  обстоятельство  позволяет  плавно   изменять
свойства материалов на контактной границе, что важно при  изготовлении  ряда
приборов  оптоэлектроники  и  прежде  всего  –   источников   и   приемников
излучения. Среди полупроводников  типа  АIIIВVнаилучшими  парами  материалов
для создания идеальных гетеропереходов являются  системы  GaAs-AlхGa1-хAs  и
GaSb-AlхGa1-хSb.
Преимущества указанных гетеропар заключаются в том, что период решетки
твердых растворов AlхGa1-хAs и  AlхGa1-х Sb слабо зависит от состава и
близок к периоду решетки бинарного соединения (собственно GaAs и  GaSb).
       Дополнительные   степени   свободы   для   варьирования   параметрами
сопрягаемых   полупроводниковых   материалов   при    получении    идеальных
гетеропереходов  возникают  при  использовании  четырехкомпонентных  твердых
растворов  типа  АхВ1-хСуД1-у.  Среди  этой   группы   материалов   наиболее
интересными  и  изученными  являются  твердые  растворы  GaхIn1-хAs1-уPу,  в
которых имеет место замещение по  обеим  подрешеткам  при  сохранении  общей
стехиометрии,  т.  е.  равенство  суммарных  количеств  атомов   металла   и
металлоида. В качестве исходных компонентов такого твердого  раствора  можно
рассматривать четыре бинарных соединения: GaP,  InP,  GaAs  и  InAs.  Особый
интерес представляют твердые растворы GaхIn  1-хAs1-уPу  с  изопериодическим
замещением по отношению к InP. В зависимости от состава их запрещенная  зона
может изменяться в пределах от 0,75 до 1,35 эВ.
       Инжекционные  лазеры  на  основе  гетерпары  InP-  Ga   In    As    P
переспективны для применения в волоконно-оптических линиях связи,  поскольку
спектральный диапазон  их  излучения  соответствует  минимальным  оптическим
потерям кварцевого волокна.



                                 Заключение.

      Таким образом, мы видим, что уже сейчас полупроводники нашли себе  ряд
важнейших применений и что область их практического применения непрерывно  и
быстро расширяется. Физика твердого тела, особенно  физика  полупроводников,
оказала в последнее время заметное влияние на электронику,  и,  по-видимому,
в течение ближайших лет полупроводниковые  приборы  будут  занимать  ведущее
положение в этой области. Многие устройства, скорее  всего,  будут  заменены
новыми, где будут использованы приборы из высококачественных  монокристаллов
того или иного полупроводника.



                           Используемая литература

      1. Пасынков В.В., Сорокин В.С. Материалы электронной техники.- М.:
Высшая школа, 1986.
      2. Пасынков В.В. Материалы электронной техники.- М.: Высшая школа,
1980.
      3. Ортмонд Б. Ф. Введение в физическую химию и кристаллохимию
полупроводников./Под ред. В.М. Глазова.- М.: Высшая школа, 1982.
      4.Бонч-Бруевич В.Л., Калашников С. Г. Физика полупроводников.- М.:
Наука,1977.
       5. Горелик С.С., Дашевский М. Я. Материаловедение полупроводников и
металловедение.- М. Металлургия, 1973.
       6. Справочник по электротехническим материалам. /Под ред.Ю. В.
Корицкого,
В.В. Пасынкова, Б.М. Тареева. – М. : Энергия,1974.
       7. Электрорадиоматериалы. /Под ред. Б.М. Тареева.- М.: Высшая
школа,1978.



смотреть на рефераты похожие на "Алмазоподобные полупроводники "